3.2_1 虚拟内存的基本概念

  虚拟存储技术也是存储空间扩充的一种技术，它比交换、覆盖技术要更先进一些。

（一）传统存储管理方式的特征、缺点

  对于这种传统的存储管理方案，很多暂时用不到的数据也会长期占用内存，导致内存利用率不高。

传统存储管理方式有两个很明显的特征

1.一次性

  作业必须一次性全部装入内存后才能开始运行。这会造成两个问题：

  ①作业很大时，不能全部装入内存，导致大作业无法运行；

  比如一个大型游戏要60G内存，如果按照传统存储管理方式的话，一个4G运行内存的电脑是不可能运行这个游戏的。

  ②当大量作业要求运行时，由于内存无法容纳全部作业，因此只有少量作业能运行，导致多道程序并发度下降。

2.驻留性

  一旦作业被装入内存，就会一直驻留在内存中，直至作业运行结束。事实上，在一个时间段内，只需要访问作业的一小部分数据即可正常运行，这就导致了内存中会驻留大量的、暂时用不到的数据，浪费了宝贵的内存资源。

  比如一个游戏中有很多个场景地图，我们的角色处于A场景中，其实只需要加载A场景相关资源就行了，而不需要加载B场景、C场景……。但是对于传统存储管理方式，不管是A、B、C场景……的数据，都要求一直驻留在内存当中，无论此时是否需要用到这些数据。就导致内存中驻留了大量的暂时用不到的数据，从而浪费内存资源。

  传统存储管理方式的这些缺点，都可用虚拟存储技术解决问题。

（二）局部性原理

  虚拟存储技术的提出，其实是基于著名的局部性原理（之前在讲页式存储管理的快表机构的地方讲过）。

时间局部性

  如果执行了程序中的某条指令，那么不久后这条指令很有可能再次执行；如果某个数据被访问过，不久之后该数据很可能再次被访问。（因为程序中存在大量的循环）

空间局部性

  一旦程序访问了某个存储单元，在不久之后，其附近的存储单元也很有可能被访问。（因为很多数据在内存中都是连续存放的，并且程序的指令也是顺序地在内存中存放的）

（三）虚拟内存的定义和特征

  基于局部性原理，在程序装入时，可以将程序中很快会用到的部分装入内存，暂时用不到的部分留在外存，就可以让程序开始执行。

  在程序执行过程中，当所访问的信息不在内存时，由操作系统负责将所需信息从外存调入内存，然后继续执行程序。

  若内存空间不够，由操作系统负责将内存中暂时用不到的信息换出到外存。

  在操作系统的管理下，在用户看来似乎有一个比实际内存大得多的内存，这就是虚拟内存。

  “虚拟内存”也是操作系统虚拟性的一个体现。实际的物理内存大小没有变，只是在逻辑上进行了扩充。

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虚拟内存有以下三个主要特征：

1.多次性

  无需在作业运行时一次性全部装入内存，而是允许被分成多次调入内存。

2.对换性

  在作业运行时无需一直常驻内存，而是允许在作业运行过程中，将作业换入、换出。

  这里的“多次性”和“对换性”，刚好就对应了传统存储管理方式当中的“一次性”和“驻留性”。

3.虚拟性

  从逻辑上扩充了内存的容量，使用户看到的内存容量远大于实际的容量。

（四）如何实现虚拟内存技术

  虚拟内存技术，允许一个作业分多次调入内存。如果采用连续分配方式，会不方便实现。

  因此，虚拟内存的实现需要建立在离散分配的内存管理方式基础之上。

  之前学过的“离散分配”的传统的内存管理方式，有基本分页、基本分段、基本段页式。

  那么，在这三种“离散分配”的内存管理方式基础之上，就形成了与它们相对应的——请求分页、请求分段、请求段页式。

  “传统的离散分配”和“虚拟内存”的主要区别在于：

  1.在程序执行过程中，当所访问的信息不在内存时，由操作系统负责将所需信息从外存调入内存，然后继续执行程序。

  因此，要在传统的基础之上增加功能：操作系统要提供**请求调页（或请求调段）**功能。

  2.若内存空间不够，由操作系统负责将内存中暂时用不到的信息换出到外存。

  因此，要在传统的基础之上增加功能：操作系统要提供**页面置换（或段置换）**的功能。

  具体需要提供什么功能，如请求调页、请求调段；页面置换、段置换，要看你是“请求分页”、”请求分段“还是”请求段页式“。

总结